一、研究背景

電紡絲（ES）制造最早出現(xiàn)于 1897 年，隨后獲得了一系列紡織品應(yīng)用專利。1969 年，泰勒（Taylor）發(fā)表的一篇文章促成了將電紡絲制造技術(shù)用于許多應(yīng)用領(lǐng)域的研究，這些應(yīng)用旨在制造具有微米到納米級特征的聚合物材料，這些材料顯示出很高的表面-面積-體積比。此后，ES 被用于制造燃料電池、發(fā)電機(jī)和光催化表面。此外，ES 還可用于防止過氧化物太陽能電池層的降解，以及通過光刻技術(shù)繪制納米級偏振片圖案。電紡材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括酶固定、傳感器、組織工程、傷口愈合和藥物輸送。ES 纖維材料還被用于制造納米材料，其應(yīng)用范圍從能源轉(zhuǎn)換到醫(yī)藥，并表現(xiàn)出理想的材料特性，如高強(qiáng)度或高模量。

從基礎(chǔ)化學(xué)和材料合成到工業(yè)應(yīng)用，ES 材料的應(yīng)用范圍非常廣泛。ES 的應(yīng)用范圍之廣，導(dǎo)致了 ES 設(shè)備的迭代，以適應(yīng)專用材料的制造。例如，熔融 ES 使用戶可以在加工過程中避免使用溶劑。其他迭代涉及改變沉積表面，以產(chǎn)生有利于增強(qiáng)電荷傳輸、產(chǎn)生偏振光發(fā)射、改善吸收和光伏特性以及有利于光電子學(xué)等其他應(yīng)用的晶體特性的對齊結(jié)構(gòu)。對齊還與生物醫(yī)學(xué)工業(yè)有關(guān)，可為定向細(xì)胞生長和引導(dǎo)細(xì)胞分化提供支架。聚合物纖維的對準(zhǔn)可通過使用旋轉(zhuǎn)集電鼓平行間隙電極或反電極來實(shí)現(xiàn)。為聚合物沉積提供靜電力的電場也可用于引導(dǎo)纖維沉積和材料光斑尺寸。電場操縱的被動方法包括使用銅環(huán)作為透鏡元件來抑制雜亂運(yùn)動，以及使用孔板來減小纖維氈點(diǎn)尺寸。研究人員還實(shí)現(xiàn)了 ES 系統(tǒng)的微型化，并增加了配置修改，使 ES 系統(tǒng)可以手持并沉積在任何表面上，而不受電荷的影響。

在這項(xiàng)工作中，我們介紹了一種 ES 制造迭代技術(shù)，通過使用多個高壓電源（每個電源都與單獨(dú)的電極相連，并由波形發(fā)生器控制）來精確控制電紡纖維的沉積。在 LabVIEW 中生成具有適當(dāng)相位滯后的正弦控制（輸入）信號，以控制纖維在兩個維度上的沉積，從而形成編織聚合物織物和復(fù)雜形狀。編織聚合物織物除了能實(shí)現(xiàn)長期藥物釋放和組織模擬外，還具有強(qiáng)度、尺寸、柔韌性、多孔性、伸長率和多方向破壞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。編織電紡材料的生產(chǎn)是通過使用新穎的沉積表面進(jìn)行的，如編織機(jī)或帶有導(dǎo)電齒的旋轉(zhuǎn)收集器。在這項(xiàng)工作中，我們展示了使用多個獨(dú)立控制的高壓電源的多重 ES，以精確控制的方式在平坦、非復(fù)雜的表面上制造編織聚合物織物，而不是在復(fù)雜、移動的表面上隨機(jī)附著和沉積。我們的新工藝可以在平整的沉積表面上對物體或材料進(jìn)行涂層，而織布機(jī)或?qū)щ婂F沉積基底則無法做到這一點(diǎn)。此外，還利用時變正弦波輸入展示了電紡絲環(huán)形狀的沉積，而其他高度可控的 ES 系統(tǒng)尚未展示過這種形狀。通過參數(shù)分析，可以實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的環(huán)形尺寸。除其他復(fù)雜形態(tài)外，環(huán)形沉積的演示為多重 ES 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度可控結(jié)構(gòu)提供了范例。復(fù)雜聚合物形態(tài)的沉積擴(kuò)展了這種多功能、經(jīng)濟(jì)可行的制造方法的適用性，可用于生產(chǎn)柔性材料，這些材料可以包覆骨骼、包裹尖角或塑造成滑入非線性縫隙的形狀，從而實(shí)現(xiàn)新型功能材料。對于多路復(fù)用 ES，還可以通過減少電阻抗來降低決定高壓高頻截止的時間常數(shù)。添加到高壓電路中的并聯(lián)電阻降低了電路阻抗，從而降低了時間常數(shù)，進(jìn)一步證明了多路復(fù)用 ES 能夠提供高水平的光纖沉積控制。

二、摘要

電紡絲（ES）的應(yīng)用范圍很廣，從制造生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和組織再生支架，到光操縱和能量轉(zhuǎn)換，甚至到沉積作為納米級催化生長平臺的材料。影響 ES 廣泛應(yīng)用的一個主要限制因素是聚合物流在接近沉積表面時的混亂運(yùn)動所導(dǎo)致的隨機(jī)纖維沉積。過去，通過改變電極形狀、使用多維電極或插針、在織布機(jī)上沉積、允許用戶引導(dǎo)沉積的手持式電紡絲設(shè)備或通過透鏡元件或孔徑操縱電場，可以制造出具有精確定位的中尺度形態(tài)的結(jié)構(gòu)或材料。在這項(xiàng)工作中，我們展示了一個 ES 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個高壓電源，可通過 LabVIEW 中實(shí)施的控制算法進(jìn)行獨(dú)立控制。最終結(jié)果就是我們所說的 “多路復(fù)用 ES”，即 ES 光纖將多個獨(dú)立控制的高壓信號組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的沉積控制。COMSOL Multiphysics® 軟件用于模擬這種新型 ES 系統(tǒng)中產(chǎn)生的電場。

利用多電源系統(tǒng)，我們演示了無需復(fù)雜沉積表面的編織纖維材料的制造。時變正弦波輸入用于制造電紡環(huán)形。通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀體的外徑對沉積過程中使用的頻率并不敏感，而內(nèi)徑則與頻率成反比，導(dǎo)致環(huán)狀體的整體寬度隨頻率增加而增加。Multiplex ES 具有基于高壓電路時間響應(yīng)的高頻截止。通過測量這些時間常數(shù)，并通過添加并聯(lián)電阻器將其最小化，從而降低了系統(tǒng)阻抗，并將高頻截止率提高了 63%。

三、結(jié)論

在 ES 過程中對纖維沉積的精確控制可實(shí)現(xiàn)新穎的設(shè)備設(shè)計，并促進(jìn)所生產(chǎn)聚合物材料的新應(yīng)用和功能。在這項(xiàng)工作中，我們制造了一個包含四個常規(guī)電極的 ES 系統(tǒng)，每個電極由一個獨(dú)立電源控制，我們稱之為多路 ES。正弦控制信號經(jīng)高壓電源放大后，可根據(jù)電極電壓改變靜電場強(qiáng)度，使用戶能夠精確控制纖維沉積和中尺度結(jié)構(gòu)。利用多路復(fù)用 ES 系統(tǒng)中電極的幾何形狀和分離距離，我們能夠確定作用在光纖上的靜電力的解析模型，設(shè)備配置、材料特性和外加電壓對確定靜電力非常重要。我們還使用 COMSOL Multiphysics® 軟件作為可視化工具來顯示由多路復(fù)用 ES 系統(tǒng)控制的靜電場，結(jié)果表明，當(dāng)向特定電極提供高壓輸入時，模型中相應(yīng)的電極電壓與預(yù)測值相符。

在多重 ES 過程中，纖維沉積的隨機(jī)性較小，因此能夠產(chǎn)生編織纖維氈。使用正弦輸入將高壓信號從一個電極移動到另一個電極，產(chǎn)生了編織聚合物織物。在另一次演示中，在不改變電極的情況下，電壓輸入以環(huán)形模式從一個電極移動到另一個電極，產(chǎn)生了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)形結(jié)構(gòu)的外徑對沉積過程中使用的頻率并不敏感，而內(nèi)徑則與頻率成反比，因此環(huán)形結(jié)構(gòu)的總厚度隨頻率增加而增加。

與用于引導(dǎo)光纖沉積的輸入信號相比，多路復(fù)用 ES 系統(tǒng)的響應(yīng)時間略有滯后。這種滯后是由于高壓電源耗散電荷的能力造成的。由于系統(tǒng)的響應(yīng)速度是控制納米纖維沉積位置的基礎(chǔ)，因此研究人員使用與高壓電源和地線并聯(lián)的電阻器來盡量減小電子時間響應(yīng)。當(dāng)使用 10 到 100 MΩ 的電阻時，所有情況下的下降時間常數(shù)都減少了約 63%。然而，當(dāng)電阻為 120 MΩ 時，下降時間常數(shù)開始增加，由于高壓電源的額定電流，時間常數(shù)只減少了 51%。 假設(shè)系統(tǒng)的最小電阻值在 100 和 120 兆歐之間，因此 120 兆歐電阻器不再能改善下降時間常數(shù)響應(yīng)。

多重 ES 已被證明并用于制造基于纖維的編織氈，通過對高壓電源、相應(yīng)電極的獨(dú)立同步控制以及響應(yīng)時間的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對纖維沉積和材料形態(tài)的高度控制。

圖1.圖示多重 ES 系統(tǒng)。多重 ES 系統(tǒng)包含四個電極（A-D）和一個噴絲板，每個電極都與獨(dú)立控制的電源相連。系統(tǒng)的每個電壓輸入都由一個 National Instruments DAQ 控制，并由 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)的算法控制。對每個電極的獨(dú)立控制可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的沉積

 

圖2.A 多通道 ES 系統(tǒng)的電極設(shè)置圖，顯示所使用的對稱間隔電極。B 結(jié)合 A 部分所示的電極形狀以及針頭與沉積表面的分離距離

圖3.COMSOL Multiphysics® 模型顯示多重 ES 系統(tǒng)內(nèi)的靜電場強(qiáng)度。A 生成的模型顯示了彼此等距放置的四個電極。如圖所示，在獲取模型期間，高壓信號被輸入到電極 C。B 生成的模型顯示了 A 處的電極與 ES 噴絲板的關(guān)系。所有電極都與多重 ES 系統(tǒng)中的噴絲板等距放置。

圖4.圖示編織纖維氈的多重 ES 過程中的纖維沉積情況。在沉積過程中，纖維沿著電壓最高（靜電力最強(qiáng)）的電極沉積。在實(shí)例 2、4 和 6 中，聚合物射流在編織氈中心的外部跳動，以避免破壞編織材料，從而實(shí)現(xiàn)真正的纖維編織。B 具有代表性的 SEM 顯微照片，準(zhǔn)確展示了沉積的編織圖案。C 數(shù)字光學(xué)顯微鏡圖像顯示了 ES 編織氈的整體三維結(jié)構(gòu)

圖5.A-C 使用多重 ES 制造的電紡纖維環(huán)圖像。從系統(tǒng)中取出電紡環(huán)狀纖維并將其置于燈箱中，然后用 ImageJ 對圖像進(jìn)行閾值處理。D-F 在 ImageJ 中應(yīng)用閾值后顯示 Tori 纖維氈的相應(yīng)圖像（從上到下）。Tori 和圖像均以一式三份的形式采集，這些圖像的尺寸可用于從數(shù)學(xué)角度理解使用特定 ES 參數(shù)時產(chǎn)生的纖維墊